2020 Fiscal Year Annual Research Report
The construction of THz detecting system using high quality 2D III-chalcogenide compounds grown by liquid phase growth
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19J20564
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
唐 超 東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2019-04-25 – 2022-03-31
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| Keywords | テラヘルツ光源 / 非線形光学結晶 / 層状半導体 / ファンデルワールス結晶 / 結晶成長 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の現段階では、低温液相成長法（TDM-CVP、温度差液相成長法）により、高品質のInSe/GaSe混晶を取得した。研究計画の通り、結晶の赤外領域光学特性とテラヘルツ領域光学特性が改善された。現段階の研究結果として、以下の二つにまとめられる。
１．InSe・GaSe混晶の結晶成長：InSeと同じ構造を持つ層状化合物のGaSeの混晶を成長させた。従来のTDM-CVP方法と違い、多方向に温度勾配を印加する結晶成長技術を開発した。新たな方法により、垂直方向以外のサブヒーターを結晶炉内に設置することで、TDM-CVPより大きな温度勾配を印加することが可能になった。その技術を駆使し、坩堝内に急峻な濃度勾配を発生させることにより、層状化合物の高速成長法が開発した。
２．InSe系化合物の非線形光学特性の考察：InSeとGaSeをはじめとする層状カルコゲナイドの複屈折に関する特性を考察した。InSe/GaSeの混晶において、1200 nm 付近の赤外領域の位相整合条件はインジウム組成により変化することが分かった。それは異常光の屈折率の変化に由来する現象と判明した。その成果に基づき、InSe/GaSe混晶の位相整合角度を制御することが可能になる。また、ホール測定でInSe/GaSe混晶の電気特性を調べた。テラヘルツ領域の光学特性は電子移動度・電子密度などの電気特性に関わる、GaSe内の自由キャリア振動はテラヘルツ波吸収の原因となり、発生効率を制限することが判明された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
まず、研究計画の通り、InSe系結晶の非線形光学特性を調査した。第二次非線形感受率の他、結晶の屈折率も調べた。複屈折率のデータがあれば、差周波発生と和周波発生をはじめとする非線形光学効果を利用する光学系の構築が可能となる。
さらに、新たな結晶成長法を開発した。結晶炉内のサブヒーターの追加で、GaSeなどの、温度勾配印加による濃度変化の小さい物質の成長も可能になった。また、垂直方向と水平方向の温度勾配を同時に印加でき、温度勾配の方向も制御できる。層状カルコゲナイドにおいて、最大温度勾配の方向に沿って、結晶のc面が積層する傾向があるため、結晶の成長方向が決められる。それに加え、坩堝の形をデザインすると、非線形光学系にとって最適な結晶形状・結晶面を得ることが可能になる。
故に、現段階の研究は当初の計画以上に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究には、高品質のInSe系化合物を準備した。また、結晶の複屈折率、吸収率などの光学特性を調べた。研究の最終段階には、差周波発生光学系（DFG）の構築とテラヘルツの発生をめぐって、研究を展開したいと考えている。
まず、結晶の吸収率と屈折率に応じ、励起光（Pump光とSignal光）を波長領域を選択し、差周波発生光学系を組み立て、位相整合条件に合わせてテラヘルツ光源を構築する。
また、超伝導シリコンボロメーターを用いて、テラヘルツの光源・検出システムを完成させる。最後、腐食生成物、体液を模擬するグルコース溶液をサンプルとし、システムの非破壊検査と医療診断などの分野での応用を実証する。
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